第五章 大功率和白光LED封装技术

一、大功率LED封装技术

1、大功率LED和普通LED技术工艺上的不同

大功率LED是LED节能灯的一种，相对于小功率LED来说，大功率LED的单颗功率更高，亮度更亮，价格更高。小功率LED额定电流都是20mA，额定电流大于20mA的基本上都可以算作大功率。大功率的亮度单位为lm（流明），小功率的亮度单位一般为mcd。

1）  大功率LED目前的分类标准由三种：第一种是按功率大小分，封装成型后按功率不同分类；第二种可以按封装工艺不同分类；第三种是按光衰程度不同分类。

2）  大功率LED封装由于结构和工艺复杂，直接影响到LED的使用性能和寿命，其主要功能包括：机械保护、加强散热、光学控制、供电管理。

2、大功率LED封装的关键技术

大功率LED封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面，其中光是目的、热是关键、电结构与工艺是手段、而性能是封装水平的具体体现，具体而言大功率LED封装的关键技术包括以下几个方面：

1）  低热阻封装技术：改善LED封装的关键在于减少界面和界面接触热阻，增强散热，因此晶片和散热基板间的热界面材料（TIM）选择十分重要；

2）  大功率LED封装电极形式和衬底减薄技术：加大芯片尺寸法、硅衬底倒装法、陶瓷基板倒装法、蓝宝石衬底倒装法（机械研磨抛光减薄法、激光剥离的方法LLO、丰田方法TG）、AlGaInN/碳化硅（SiC）背面出光法

3）  阵列封装与系统集成技术

a.LED封装技术和结构发展过程：Lmap—SMT—COB—SiP

b.板上晶片直装式（COB）封装，需要考虑散热问题（晶片排列面积、晶片间距、晶片耐高温性），光学设计（一次光学设计、二次光学设计）及可靠性；

c.系统封装式（SiP）LED封装，其核心技术为超低热阻基材和嵌入式被动组件设计及制作；

d.陶瓷可变电阻基板新型封装技术。

3、大功率LED封装工艺流程：进料—料检—固晶—焊线—点荧光粉—烘烤—看外观—热测—切单粒—分光分色—包装—QA—入库—出库

4、大功率LED的晶片装架

1）装架基础

目的：用银胶将芯片固定在支架的载片区上，使芯片和支架形成良好的接触；

技术要求：芯片必须四周包胶，银胶高度不得超过芯片高度的1/3，芯片要放置平整，无缺胶、粘胶、装反、芯片无损伤、沾污；

工艺要求：物料需正确存放和使用。

2）装架设备：自动装架机台，需注意吸嘴和点胶头的选择。

5、大功率LED的封装固晶

固晶基础、灌胶设备、固晶机设备

6、提高LED固晶品质六大步骤：

1）严格检测固晶站的LED原物料

2）减少不利的人为因素

3）保证不会出现机台不良；

4）执行正确的调机方法；

5）掌握好制程；

 

 

6）保持环境符合要求。

7、大功率LED的封装焊线：

压焊的目的是将电极引到LED芯片上，完成产品内外引线的连接工作。LED的压焊工艺有金丝球焊和铝丝压焊两种，对铝丝压焊的过程是：先在LED芯片电极上压上第一点，再将铝丝拉到相应的支架上方，压上第二点后扯断铝丝。金丝球焊过程则在压第一点前先烧个球，其余过程类似。

8、大功率LED封装的未来

1）在未来大功率阵列式组装方式上，SMD和COB要共存很长一段时间；

2）LED真空包装印刷封装技术；

3）几种典型大功率封装： 产品形式（传统直插式、仿食人鱼式、铝基板封装式、TO封装、贴片式SMD、Emitter式、灯泡式）；芯片组合（单芯片、多芯片）；透镜封装（环氧树脂封装、光学硅胶直接灌封、光学透镜+柔性光学硅胶灌封、软性光学硅胶模压成型）。

 

二、大功率LED装架、点胶、固晶操作规范工艺卡

此处重点摘录导电胶的使用规范：

1、导电胶的使用规范

1）领取时间：在剩余最后一支针筒时领取新的原装导电胶；

2）分装过程：

a.从仓库领来的导电胶，放在室温下进行回温后，把瓶子上产生的水汽用干净的无尘布擦净；打开瓶盖，用专用搅拌工具沿同一方向搅拌约10min后，先分装进针筒（依生产需要，每次分装允许的数量小于等于7针筒）；其余的导电胶分装进罐装容器（A\B\C三罐），等待下一次的分装；分装完成后必须立即送进0-5度冰箱保存，做好记录。

b.搅拌工具用完后及时清洗，清洗时可先用包装支架的白纸擦去大部分的粘结胶，后放在超声波内用丙酮进行超声波清洗5min，晾干后待下一次使用。

3）分装后的状态标识：

a.分装进罐装容器、针筒后，须采用皱纹胶布在罐装容器，针筒上做状态标识。标注型号、有效期（指原装容器上标识的材料有效期），罐装容器序号(A\B\C)/针筒序号；

b.导电胶在小于5度的储存条件下，必须于1个月内用完，回温次数不得多于5次。

4）分装后的使用：

a.分装进针筒的导电胶在冰箱中放置时须指定人员每天旋转针筒180度，且非指定人员不得打开冰箱；由指定人员从冰箱中取出分装进针筒的导电胶，按工艺要求进行醒料，统一发给机台操作人员待用或加入机台胶盘；

b.醒料：生产使用时，针筒应垂直放置进行回温；且须待导电胶回温30min后，方能使用；

c.每次加胶动作完成后，针筒必须立即放回0-5度冰箱保存；非装架使用的，未过期失效的导电胶不用时也应及时放入并行存储。

5）使用注意事项：

a.连续使用时，必须2天清洗一次胶盘；

b.无法连续使用时，每次添加的胶量应能在18h内用完，若用不完或停用18h以上，须清洗胶盘；

c.银胶一天使用完一支针筒（5ml），未使用完的不再用于装架，只供第二天点胶使用；

d.使用完的针筒，不再放回冰箱，由专人统一回收，交厂统一进行处理

 

三、白光LED封装技术

1、白光LED光效飞跃的历程和电光转换效率极限：

1）白光LED光效飞跃的历程：

◆2006年6月日亚化学发布光效100lm/W的白色LED；

◆2006年7月Cree开发出光效率达到131100lm/W的白光LED；

◆2006年12月日亚化学白色LED发光效率增至150lm/W；

◆2006年12月首尔半导体单芯片白光LED光效达100lm/W；

◆2006年12月艾笛森芯片白光LED最高亮度250lm；

◆2007年2月CAO Group Dynasty系列LED光效达100lm/W；

◆2007年8月欧司朗发布光效达85lm/W的红色及橙色系LED；

◆2007年9月西铁城电子开发出540lm照明用白色LED；

◆2007年9月日亚化学发布350mA时光效134lm/W高功率白色LED；

◆2008年5月日本LED照明推进协会修改普通照明用白光LED开发蓝图；

◆2008年7月东芝将上市光通量为90lm的白色LED；

◆2008年10月Cree发布光效达157lm/W的白色LED；

◆2009年12月Cree发布光效达186lm/W的白色LED；

◆2010年1月Cree发布光效达208lm/W的白色LED；

◆目前中国大陆LED封装企业近2000家，大部分厂家的白光LED光效达到120lm/W以上。

2）白光LED电光转换效率极限：电能全部转换为光能的电光转化效率是330lm/W，暖白色的光效会稍低，也就是说，一颗完美的1W白光LED，在357mA电源驱动下，正向压降为2.8V，发光通量为330lm（电能全部转换为光能的当量）。

2、白光LED发光原理及技术指标

1）白光LED发光原理：

a.多色芯片白光LED（三色芯片RGB、四芯片BGRY）

b.双色芯片白光LED（B+Y、B+YG、BG+Y芯片）

c.蓝色单芯片+荧光粉白光LED（InGaN蓝芯片+黄荧光粉YAG、InGaN蓝芯片+红荧光粉+绿荧光粉）

d.紫外单芯片+红、绿、蓝荧光粉白光LED；

e.黄LED+ZnSe单结晶基板白光LED；

f.光子晶体白光LED；

g.无荧光粉量子阱白光LED。

2）白光LED特殊的技术指标：光通量、发光效率、色温、显色指数、稳定性、寿命。

3、白光LED的工艺流程和制作方法

蓝光芯片—工艺说明—固定芯片—焊线—灌胶—LED的生产环境—烘烤芯片—涂覆荧光粉

4、大功率白光LED的制作

1）自动喷胶设备；

2）大功率白光LED的三个通道：电流通道、出光通道、热通道。这三个通道能否设计好，对于大功率LED来说是至关重要的。

3）大功率白光LED的评价

a.经过一段时间连续点亮，它的光通量衰减曲线是怎样的？反向漏电有什么变化？色温有什么变化？

b.大功率白光LED的色温分布是怎样的？光强的分布情况是怎样的？

c.热阻大小是多少？

5、白光LED的可靠性及使用寿命

1）影响白光LED寿命的主要原因：芯片的导热性、芯片的抗静电性、芯片的抗浪涌电压和电流；

2）工艺流程对白光LED寿命的影响：封装方法、pn结的工作温度。

 

四、大功率和白光LED封装材料

1、大功率LED支架

1）大功率LED支架的结构

2）大功率LED支架使用注意事项：

◆LED镀银支架的电镀要求；

◆镀银层化学性质；

◆仓储使用中注意事项；

◆支架放置注意事项；

◆支架的分批管理。

2、大功率LED的散热基板

1）LED结温与发光效率及寿命的关系；

2）LED散热基板的分类：

a.系统电路板；

b.LED晶粒基板：厚膜陶瓷基板、低温共烧多层陶瓷、薄膜陶瓷基板

3）常用封装材料的技术指标；

4）大功率LED金属基散热基板：

a.铝基板：一般用于1-5W大功率LED的封装上，功率再大LED如采用铝基板，因热膨胀系数大有导致晶粒脱落的危险。

铝基板生产工艺：制作底片—备料—制图形—蚀刻—表面处理（浸Sn）—印字符—机加—检验—包装。

铝基板的特点：绝缘层薄热阻小、无磁性、散热好、机械强度高

b.铜基散热基板

c.陶瓷散热基板

◆LED陶瓷散热基板介绍：厚膜陶瓷基板、低温共烧多层陶瓷基板、薄膜陶瓷基板；

◆国际大厂LED产品发展趋势：低温共烧多层陶瓷LTCC、高温共烧多层陶瓷HTCC、直接接合铜基板DBC(Direct Bonded Copper)、直接镀铜基板DPC（Direct Plate Copper）

◆陶瓷散热基板特性

3、  大功率LED封装用硅胶：

1）道康宁LED硅胶

◆道康宁OE6351硅胶—大功率LED灌模条胶水；

◆道康宁OE6250硅胶—大功率LED灌透镜胶水；

◆道康宁JCR6175硅胶—大功率LED混荧光粉胶水；

◆道康宁OE6550硅胶—大功率LED混荧光粉胶水；

◆道康宁EG6301硅胶—贴片SMD封装胶水；

◆道康宁大功率LED硅胶6865M/N。

2）信越LED硅胶

◆大功率用硅胶SCR-1012、SMD TOP VIEW SCR-1012/1012B-R/1016、HIGH POWER KER-2500 KER6100 KER3000-M2、LED的固晶 SMP2800；

◆Lamp两引线直插式：SCR-1012、KER-3000-M2；

◆SMD用硅胶: SCR-1012/1012B-R/1016、KER-2500LV；

◆High Power（大功率）：KER6200、KER-2500、 KER6100、KER-3200-T1。

4、大功率芯片

1）芯片厂商

◆大陆LED芯片厂商：三安光电、上海蓝光、士兰明芯、大连路美、迪源光电、华灿光电、南昌欣磊、上海金桥大晨、浪潮华光、河北立德、河北汇能、深圳奥伦德、深圳世纪星源、广州普光、扬州华夏集成、甘肃新天电公司、东莞福地电子材料、清芯光电、晶能光电、中微光电、乾照光电、晶达光电、深圳方大、上海蓝宝；

◆台湾LED芯片厂商：晶元光电、联铨、元坤、连勇、国联、广镓光电、新世纪、华上、泰谷光电、奇力、钜新、光宏、晶发、视创、洲磊、联胜、汉光、光磊、鼎元、翟富洲技、灿圆、联鼎、全新光电、华兴、东贝、光鼎、亿光、佰鸿、今台、菱生精密、立基、光宝、宏齐；

◆国外LED芯片厂商：惠普、科锐、日亚化学、丰田合成、大洋日酸、东芝、昭和电工、Lumileds、旭明、Genelite、欧司朗、GeLcore、首尔半导体、普瑞、韩国安萤火Epivalley。

2)部分厂商几种大功率LED芯片参数。

5、白光LED荧光粉

1）概述：LED荧光粉近几年发展非常迅速，美国GE公司持有多项专利，国内也有一些专利报道。蓝光LED激发的黄色荧光粉基本上能满足目前白光LED产品的要求，但还需要进一步提高效率，降低粒度，最好能制备出直径3-4nm的球形荧光粉；

2）化学成分及特性；

3）LED荧光粉的应用：

◆实现白光发射

◆利用某波段LED发光效率高的优点制备其它波段LED；

◆将发光波长有误差的LED重新利用；

◆让LED光色更柔和、鲜艳。